氯碱企业明装防雷接闪器腐蚀分析与应对措施

.长泰县气象局 .东山县气象局 林中永叶忠生许清祥

氯碱企业明装防雷接闪器腐蚀分析与应对措施

1.长泰县气象局 2.东山县气象局 林中永1叶忠生1许清祥2

氯碱企业在生产过程中存在着腐蚀介质多、分布广等特点，接闪器采用常规的抗腐蚀措施，导致寿命短暂。目前，防雷与防腐设计项目结合较少，如何在防雷工程实践中找到两者最佳结合点，设计出既经济又耐用的方案，通过优质施工和科学管理，确保接闪器合理使用寿命，具有很高的实践意义。该文根据电化学原理，研究污染物质对明装接闪器锈蚀的影响规律。结果表明，氯碱企业的防腐措施只能减缓腐蚀，治本办法是控制腐蚀源，接闪器敷设方式采用以竖向为主、水平（暗敷）为辅的组合，加上正确选材，可提高抗腐蚀能力，也符合防腐规范要求，已在维护和技改中起到指导作用。

氯碱企业 接闪器腐蚀 机理分析 防护对策

1 概述

化工企业共分为17个行业，其中腐蚀最严重的6个行业是氯碱、化肥、纯碱、农药、燃料和无机盐，氯碱排在首位。南方某氯碱企业（简称南方氯碱）创建于2002年，投资金额1亿元，厂区占地面积11万m2，设置锅炉、盐水、盐酸、电解整流和氯氢处理等工段。年用原材料海盐6万t，煤2.4 万t，水80万t。生产过程中所处理的物料、中间产品和成品，比如盐水、湿氯气、盐酸等都是腐蚀性极强的介质，它们随空气、水汽漂浮吸附在接闪器、屏蔽管表面上，渗入混凝土中，加快电化学反应过程，使金属腐蚀加剧。

接闪器快速腐蚀很快成为南方氯碱安全生产的心腹大患。2007年6月5日，南方氯碱遭雷击，造成电源局部跳闸、停车，引发氢气着火，氯气泄漏事故，直接经济损失20多万元。雷击事故原因主要有：一是腐蚀引起泄流错位。屋面接闪带锈蚀严重，接闪不灵，与引下线的连接点焊接处锈蚀严重，横断面减小，泄流不畅，而平铺女儿墙顶电源线屏蔽管锈蚀穿透，部分殆尽，电源线裸露，闪电感应电流顺着电源线畅通无阻地进入厂内。二是防腐措施未到位。厂内电源开关未采取防腐蚀介质入侵的措施，致使绝缘性能降低，容易被雷电击穿，加上电源系统未安装SPD和联动装置，导致局部跳闸，酿成后果。

事故发生后，防雷业内人士和业主认为，明装接闪带直接接触腐蚀介质而快速腐蚀，应改为暗装。根据厂房的防雷类别、高度及周围环境分析，可以剔除高层建筑雷击落物毁物伤人的可能，满足防雷规范要求，明装接闪带改为暗装接闪带的方案可行。可随着往后的防雷定期检测，发现女儿墙压顶钢筋、混凝土柱中的引下线，局部暴露出顺筋开裂，并呈增加趋势，暗装能防腐遭到质疑。南方氯碱防雷接闪器采用哪种敷设方式，能确保合理使用寿命，是防雷工作中需认真探索的课题。本文从电化学腐蚀原理入手，对明装接闪器敷设方式的腐蚀机理，进行分析和研究，并提出相应的防护措施。

2 腐蚀部位和原理

2.1 腐蚀部位

南方氯碱的接闪器大部分为明装，少部分利用女儿墙压顶钢筋（为讨论问题的方便，本文把明装接闪带下女儿墙中的压顶钢筋视为暗装）。在腐蚀环境中，通过多年常规检测时的跟踪观察和对比，发现两种敷设方式和各部位的腐蚀程度不同，见表1。

表1 南方氯碱明装接闪器各种类型腐蚀比较情况

从实际调查和表1比较的结果来看，南方氯碱明装接闪器周围环境潮湿、距离腐蚀源近的腐蚀比环境干燥、距离腐蚀源远的腐蚀要快；横向腐蚀比竖向大，有焊接的腐蚀比无焊接的大。

2.2 腐蚀原理

南方氯碱电解工段是电解电池，也是腐蚀电池。它是通过电解海盐水NaCl来制取氯气Cl2、氢气H2和烧碱NaOH,如图1所示。

化学方程式：

从图1可见，一个电解电池必须同时具备四个条件：一是必须有阳极和阴极（两个独立、分离的区域）；二是阳极和阴极之间必须有电位差，如盐浓差等现象的存在，极易在同一金属结构体内形成，亦可在两个不同电位金属间形成；三是阳极和阴极之间必须有导体的电流通道，如金属导体；四是阳极和阴极必须浸在电解质中，该电解质中有流动的自由离子，如水、含水的混凝土等。一旦具备以上条件，腐蚀电池即形成，并开始工作，阳极将加速，而阴极则停止或减缓腐蚀。

图1 电解NaCl原理图

3 明装接闪器腐蚀

3.1 方向性的影响

南方氯碱明装接闪器的敷设，按其方向性分为竖向和横向两种。从表1可知，方向性不同，腐蚀程度也不同。

3.1.1 横向接闪带

横向接闪带，其上凝露、吸附和盐雾降落易积累，常在其下表面形成液膜，当湿度较大时，在其下沿形成水带。水带的存在，易形成各种浓差电池。

南方氯碱明装接闪带易受盐浓差、氯浓差和氧浓差等的腐蚀，现以盐水工段屋面明装水平接闪带为例，分析其盐浓差腐蚀过程。接闪带沿屋面女儿墙顶敷设，受盐雾源距离和风向风速等因素影响，接闪带的水带中将出现盐含量差异。接闪带距盐雾源较近这段，盐浓度较高，溶入水带中盐含量就高，而距盐雾源较远处接闪带的水带中盐含量则低；接闪带处于盐雾源主导风向的下风方，其水带中盐含量高，而处于盐雾源上风向水带中盐含量则低。接闪带将两种不同NaCl浓度的溶液联结起来，形成盐浓差电池，如图2所示。

图2 明装水平接闪带中盐浓差腐蚀电池示意图

从图2可见，水带就是电解质，低盐分为阴极，高盐分为阳极，连接电路是接闪带本身，由于接闪带中电解质的浓度改变了电极的电极电位，使同种材料的两个电极形成电位差，这样就构成了腐蚀电池。此时，位于盐含量高的水带中那段接闪带为阳极被腐蚀。

3.1.2 竖向接闪带

竖向接闪器，尤其是接闪杆，其上的水分、污染物和降尘不易积累，锈层很薄。如果有丰富雨水，其冲刷使薄锈层中的污染物不能积累，使潮湿状态下的电解液导电性和腐蚀性不高，如果再有高的日照时数，经常使薄液膜蒸发，锈层干燥，缺少电解质，相当于“干氧化”状态，腐蚀电池不易形成，腐蚀就不易进行，相同时间内腐蚀程度就小[1]。

3.2 接闪带长的影响

明装接闪带长的影响是指在电化学不均匀的接闪带上，随着接闪带的延长，腐蚀速度会加快。观察南方氯碱接闪带的腐蚀状况，主要取决于环境中腐蚀介质氯离子（Cl-）的含量，含量越高，腐蚀性越强，这一点在腐蚀性调查中得到证实。盐水工段(NaCl)和盐酸工段(HCl)都富含Cl-，是接闪带腐蚀重灾区，有的寿命不足一年。

3.2.1工段接闪带腐蚀

工段接闪带腐蚀是指各工段屋面接闪带中由阳极区和阴极区构成腐蚀电池的腐蚀。这种腐蚀电池的电极体系的尺寸较小，阴阳极过程在同一工段屋面，甚至阴、阳二极还不断变换。年用海盐6万t盐水工段的屋面长33m、宽10m，屋面女儿墙顶及梯盖顶周圈敷设明装接闪带，屋面还有金属管线、大小金属罐体若干。楼顶可见的盐颗粒，来自金属盐水桶、管道被腐蚀而“跑、冒、滴、漏”的盐水、盐雾，还有来自车间内从门窗飘出来的盐雾，使得距腐蚀源近的接闪带浓度比其它地方高。由此可见，要想使整个屋面接闪带各部位所接触介质的物理、化学性质完全相同，使接闪带表面各点的电极电位完全相同是不可能的，这种电化学不均匀是形成腐蚀电池的基本原因。随着把屋面不同标高明装接闪带的连接和设备的等电位连接，会把接闪带表面上各部位电极不相等的连在一起，还会把屋面温差、光照不均匀性的地方也连在一起，这些都意味着同一种金属将可能与多种不同含盐量电解质溶液接触，并形成许多盐浓差、温差等腐蚀电池。屋面金属越多，电化学不均匀也越多，腐蚀作用就越强。

3.2.2 工段间接闪带腐蚀

工段接闪带腐蚀显而易见，容易引起人们的关注，而工段间接闪带腐蚀属于宏观腐蚀，其电池的电极体系的尺寸相对较大，阴阳极过程不在同一工段上，它导致接闪带的腐蚀很难预见，常被人们忽视，如图3所示。

图3 工段间酸浓差电池引起接闪器腐蚀示意图

从图3可见，当锅炉房与盐酸厂房处于不同酸度的电解质（实际上是液膜、水带、混凝土和土壤等多种电解质）时，由于电解质酸度的差异而产生酸浓差电池。查阅当地环境监测站监测数据，盐酸工段氯化氢（HCl）平均排放浓度为20.3mg/m3是沿海农村的3759倍，是典型工业区的4229倍，污染了大气和水，整个工段的屋面、墙体和地面也遭受污染。锅炉房位于其北侧110m处，距酸污染源较远，电解质中酸度相对较低。此时，锅炉房顶接闪带的金属表面电极电位较正为阴极区，盐酸工段接闪带的金属表面电极电位较负为阳极区，两区域之间存在着电位差，金属桥架两端分别与厂房进行等电位连接，构成了很好的回路，两极之间产生的腐蚀电流从阳极区域通过多种电解质流入阴极区域，造成盐酸工段阳极区的金属被腐蚀。腐蚀现状：①楼顶KBG屏蔽管荡然无存，仅剩下电缆线；②接闪带有的断开，有的支撑杆无力支撑，倒了；③靠近锅炉房这侧，且有桥架连接的西北角，接闪带腐蚀最重，女儿墙中引下线表面混凝土顺筋开裂，露出铁基体，开裂后的钢筋比混凝土中的钢筋具有更大的腐蚀性，有效截面减小，影响泄流功能。与之形成对比的是，锅炉房接闪带受腐蚀程度显得轻微。

4 防腐措施

综上所述，南方氯碱明装接闪器在水平方向上，随着屋面金属的增加和长度的延伸，其腐蚀要比竖直方向要强得多，腐蚀介质是产生的主要原因。主要防腐措施有：一是要从源头上进行严格控制；二是要根据防雷、防腐规范，有针对性地进行设计接闪器敷设方式；三是接闪器正确选材；四是技术管理应与时俱进，以提升接闪器的抗腐蚀能力。

4.1 控制腐蚀源

防腐的治本办法是控制腐蚀源，减少腐蚀介质排放的有效措施是采用新工艺、新技术。南方氯碱技改既符合企业生存与发展的需求，又能减少腐蚀介质的排放。2013年，该企业投资3500万元进行技改，采用先进的离子膜法烧碱生产工艺取代相对落后的金属阳极隔膜法工艺，减少SO2、Cl-的排放，减少湿热气候的形成，防腐取得新成效。

4.1.1 控制SO2的排放

南方氯碱原锅炉烟囱SO2排放浓度为645mg/m3，大大超过我国规定空气中含 SO2≤20mg/m3标准，高达32倍，对空气的污染严重。明装接闪带的材料为碳钢镀锌，不耐SO2溶在液膜中产生的H2SO4的腐蚀。技改后，新建一台2t/h燃煤锅炉，以燃油为主，年燃油量为730t。原锅炉停用，年可节约标煤2.4万t，大大减少SO2的排放。

4.1.2 减少Cl-泄漏

随着硬质PVC塑料、玻璃钢等高强度非金属材料的迅速发展，为氯碱企业提供更多的耐腐蚀材料，较好地解决了设备腐蚀问题。盐水、盐酸工段的设备管道改为非金属材料后，减少金属腐蚀而产生的“跑、冒、滴、漏”现象，有效遏制Cl-对明装接闪器的危害。

4.1.3 停止蒸发水雾

水是形成腐蚀电池电解质的先决条件。南方氯碱的水汽不仅来源于自然降雨量，更多来源于生产时的用水量。该企业年用水量80万t，相当于年降雨量的4倍。特别是厂区中心蒸发系统，日夜不停地喷发水雾，且分布均匀，是明装接闪器终年处于高腐蚀状态的重要原因。采用先进的生产工艺后，蒸发停用，水雾从此停止喷射，介质中有害成分实现零排放。

4.1.4效果检验

南方氯碱在技改前，大气中污染物SO2、Cl-和H2O为“三高”，使金属腐蚀速度比其它地方高出数倍。SO2与Cl-两种离子对明装接闪器的腐蚀，不是简单的加和，而是两循环机制的协同作用，使得腐蚀速度明显加快，将分别大于两者单独存在时的速度。高湿气候也加快了金属腐蚀。例如，钢在海岸的腐蚀比在沙漠中的大400～500倍。2014年4月技改后，“三高”降了，投产半年来，盐水工段屋面未见到盐粒，厂区内绿化小草、树木未出现过烧焦现象，而是呈现一片自建厂以来从未有过的绿草如茵、绿树成荫的景象。这说明所处大气环境的腐蚀性有明显改善，显然对明装接闪器的腐蚀也是减轻的。

4.2 接闪带敷设方式

在氯碱企业腐蚀环境中，明装接闪带敷设在女儿墙压顶板上，具有方便施工的优点。然而，根据现行工业建筑防腐设计规范条文说明4.4.1条，“由于不同材料对腐蚀介质的敏感性不同，因此，这种结构具有特殊的腐蚀特征”。南方氯碱接闪带腐蚀调查表明，连体接闪带比独立接闪杆腐蚀性重，露出的比深藏的重。明装接闪带对暗装的危害，体现在支撑杆对女儿墙顶板的千疮百孔，保护层遭到严重破坏，在两者接触面易形成浓差、缝隙电池腐蚀，故在屋面阳角和需保护设备处竖接闪杆，压顶钢筋作为暗敷接闪带，两者进行连接，可减少明装水平接闪带带来电化学不均匀的腐蚀，又符合防腐规范条文说明5.4.2条，“不能与主体结构的设计使用年限相同时，应设计成便于更换的构件”的要求。这种以竖向为主，暗敷为辅的组合，既能将明、暗装两者的优点结合起来，又能给接闪器后期的维护带来方便（因为接闪杆后期的维护比明装接闪带简单），是南方氯碱比较理想的防雷接闪器防腐方法。

4.3 接闪器选材

针对南方氯碱防雷材料的腐蚀原因及腐蚀规律，从材质本身着手解决减缓腐蚀速度，如采用更换材质。按照GB50057-2010规范的第5.1.1条、5.2.1条和5.4.1条，防雷装置使用材料，在原来规定镀锌钢的基础上，增加了铜和不锈钢的使用条件，对不锈钢化学成分提出了要求，见表2。不锈钢的牌号众多，在实际工作中应选准牌号，把好材料质量关，提高材料耐环境变化能力。

表2 防雷规范使用的不锈钢与常用不锈钢材料化学成分对比（%）

4.3.1 防腐原理

不锈钢的耐腐蚀性主要取决于它的合金化学成分铬（Cr）、镍（Ni）和钼（Mo）等，其中起主要作用的是Cr元素，Cr元素易于氧化，能在金属材料表面快速形成致密的Cr2O3薄膜，使之与周围环境介质隔离，能满足一般大气酸、碱、盐环境中耐蚀性要求[2]。

4.3.2 牌号选择

不锈钢的牌号不同，其耐蚀性不同，需区别对待。从表1可以看出，不锈钢（304）的腐蚀程度居中，主要是由空气中Cl-引起金属的晶界腐蚀，这是产生腐蚀的外因，而缺少Mo元素则是内因。Mo在不锈钢中的作用，主要表现在能阻止晶界腐蚀的发生，促进耐盐雾、酸雾腐蚀性能。从表2可知，316不锈钢含有Mo元素，与接地体材料的化学成分相近，是明装接闪器材料的首选。另外，明装接闪器采用316不锈钢材料，与建筑物内的钢筋构成防雷装置，两者的电极电位差为0.2～0.4V,小于防雷规范条文说明5.4.5条“1V的电化学电池电压”，腐蚀作用不大。

4.3.3 技术保障

达标的防雷材料有助于改变防雷装置快速腐蚀的现状，在防雷工程的设计审核、跟踪检测和竣工验收阶段，设计相关预防措施，把好材料质量关，使得化工雷电防护更加到位，具有现实和深远意义。2014年6月，防雷材料、产品质量证明书，被列入当地防雷项目审批“路径图”之中，成为行政审批窗口需提供申报的材料之一，这将推动地方乃至全国防雷装置防腐规范健康发展。

4.4 技术管理与时俱进

普及防腐专业知识，加强防腐蚀专业力量。在当今科学技术不断革新的时代，氯碱生产系统正值设备更新和技术改造时期，强化新技术、新材料的开发应用。连接工段间金属桥架、管道可改为非金属材料，实现无物理连接，切断联结电路，使阳极区电子不能输出，阴极区不能吸收电子，宏电池腐蚀不易形成。屋面金属罐体、管道改用非金属材料，减少电化学不均匀，弱化腐蚀作用。

5 结束语

总之，氯碱企业明装接闪器，无论是设计还是施工和维护，技术人员都要熟悉掌握Cl-介质的腐蚀特性。长期以来，接闪器的设计内容仅局限于防雷规范的安全性分析和计算，未考虑Cl-环境下耐蚀性设计。随着研究和工程实践的不断深入，势必会带来一些新的理念，合理的设计和科学管理，接闪器的使用将发挥应有的作用，寿命也会得到延长，防雷规范与防腐规范的结合更加完美统一。

[1] 宋鑫.Q235钢在模拟环境下干湿交替大气腐蚀行为特征[D].天津: 天津大学, 2007.

[2] 甘志强，陆土金，高涛, 等.南海海岛自动气象站防护应用技术探索[J].气象科技，2016，44（6）:914.